การใช้ IO-Link ในงานอุตสาหกรรม

ด้วยการถือกำเนิดของการปฏิวัติอุตสาหกรรมครั้งที่สี่และอุตสาหกรรม 4.0 ระบบอัตโนมัติที่ครอบคลุมและชาญฉลาดถูกกำหนดโดยการควบคุม การตรวจสอบ และการวินิจฉัยขั้นสูง ความสามารถดังกล่าวเป็นไปได้ผ่านการเชื่อมต่อทางอุตสาหกรรมเท่านั้น ซึ่งการควบคุมและอุปกรณ์เครื่องจักรจะรวมกันเป็นหนึ่งเดียวบนบางแพลตฟอร์ม (เช่น IO-Link) สำหรับการแลกเปลี่ยนข้อมูลอย่างต่อเนื่อง

รูปที่ 1: IO-Link ช่วยเสริมโปรโตคอลเครือข่ายที่มีอยู่โดยการรวมเข้ากับเครือข่าย fieldbus หรือ Ethernet ผ่าน IO-Link หลักได้อย่างง่ายดาย การเชื่อมต่อระหว่างอุปกรณ์หลัก IO-Link และอุปกรณ์ IO-Link นั้นผ่านสายเคเบิลสามหรือห้าสายที่ไม่มีฉนวนหุ้มและไม่มีหน้าจอ ซึ่งสามารถจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ IO-Link ได้ ในที่นี่พลังงานพื้นฐานคือ 24-Vdc (ที่มาของภาพ: Pepperl+Fuchs)

เทคโนโลยีที่เปิดใช้งานหลักที่สนับสนุนการเชื่อมต่อทางอุตสาหกรรมคือเครือข่ายและอุปกรณ์ที่ได้มาตรฐานพร้อมคุณสมบัติการสื่อสารแบบออนบอร์ด โปรโตคอลมากมายสำหรับฟังก์ชันเหล่านี้ อย่างไรก็ตาม ไม่ใช่ว่าทุกโปรโตคอลอุตสาหกรรมจะเป็นไปตามข้อกำหนดการแลกเปลี่ยนข้อมูลและข่าวกรองที่จำเป็นสำหรับระบบอัตโนมัติในปัจจุบัน IO-Link ถูกสร้างขึ้นเพื่อตอบสนองการใช้งานที่ทันสมัยเหล่านี้

ดังที่ ได้กล่าวครอบคลุมในบทความ Digikey.com ก่อนหน้านี้แล้วนั้น IO-Link เป็นโปรโตคอลการสื่อสารแบบจุดต่อจุดแบบมีสายที่อำนวยความสะดวกในการสื่อสารข้อมูลแบบสองทิศทางอัจฉริยะระหว่างอุปกรณ์ต่าง ๆ โดยปกติ IO-Link พื้นฐาน (ตัวควบคุมภายในเครื่อง) มีพอร์ต IO-Link (ช่องสัญญาณ) หลายพอร์ตซึ่งอุปกรณ์ IO-Link ต่าง ๆ เสียบแยกจากกัน การเชื่อมต่อจุดปลายโหนดต่อโหนดเหล่านี้เป็นสิ่งที่ทำให้ IO-Link เป็นโปรโตคอลการสื่อสารแบบจุดต่อจุด

เปิดตัวในปี 2552 โดยกลุ่มสมาชิก 41 คน ซึ่งปัจจุบันมีสมาชิกที่แข็งแกร่งหลายร้อยคน IO-Link ได้กลายเป็นโปรโตคอลการสื่อสารที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางในการควบคุมข้อมูลที่สำคัญสำหรับ:

• เพิ่มประสิทธิภาพการดำเนินงาน
• ลดการหยุดทำงานและการบำรุงรักษาที่คล่องตัว
• การลดต้นทุนวัตถุดิบและการตัดสินใจเชิงกลยุทธ์ในการปฏิบัติงาน

อินเทอร์เฟซ IO-Link ที่กลมกลืนกันถูกกำหนดโดยมาตรฐาน IEC 61131-9 และสนับสนุนโดย Siemens, Omron Corp., ifm Efector, Balluff, Cinch Connectivity, Banner Engineering, Rockwell Automation, SICK, Pepperl+Fuchs และผู้ผลิตส่วนประกอบและระบบอื่น ๆ อีกหลายสิบราย ไม่น่าแปลกใจเลยที่การเชื่อมต่อ IO-Link ถูกนำไปใช้อย่างกว้างขวางในการดำเนินการที่เกี่ยวข้องกับระบบอัตโนมัติของการประกอบ เครื่องมือกล และอินทราโลจิสติกส์ การใช้งานหลักสามประการในการตั้งค่าเหล่านี้และอุตสาหกรรมอื่น ๆ ได้แก่ การสื่อสารสถานะ การควบคุมเครื่องจักร และการช่วยเหลืออุปกรณ์อัจฉริยะ

โหมดตัวควบคุม IO-Link สัมพันธ์กับการใช้งาน

รูปที่ 2: ประเภทของขั้วต่อที่ใช้กับสายต่อขึ้นอยู่กับชนิดของพอร์ต พอร์ตหลัก IO-Link class-A ยอมรับ M8 หรือ M12 (เช่น AL1120 จาก ifm efector ที่แสดงที่นี่) ตัวเชื่อมต่อที่มีมากถึงสี่พิน ในขณะที่คู่คลาส B ยอมรับการเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ที่มีตัวเชื่อมต่อ M12 ห้าพิน (สำหรับการสื่อสารข้อมูลแบบสองทิศทาง) โหมดที่กำหนดให้กับพอร์ตของหลักในเวลาใดก็ตามจะถูกกำหนดโดยอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อและการทำงานปัจจุบัน (ที่มาของภาพ: ifm Efector)

จาก บทความ Digikey.com ก่อนหน้า ที่ว่าโปรโตคอลการสื่อสาร IO-Link แสดงพอร์ตตัวเชื่อมต่อแต่ละพอร์ตบนหลัก (คอนโทรลเลอร์) ระดับสูงของ IO-Link ที่มีโหมดการสื่อสารสี่โหมด ซึ่งรวมถึงโหมดปิดใช้งานอย่างสมบูรณ์เช่นเดียวกับ IO-Link, อินพุตดิจิตอล (DI) และโหมดการทำงานของเอาต์พุตดิจิทัล (DQ) โหมดต่างๆ สัมพันธ์กันอย่างหลวมๆ กับ IO-Link หลักสามรายการที่ใช้ตามรายการด้านบน

โหมดการทำงาน IO-Link รองรับการสื่อสารข้อมูลแบบสองทิศทางกับอุปกรณ์ภาคสนาม และโดยทั่วไปจะใช้ในระหว่างการรวบรวมข้อมูลสำหรับการตรวจสอบ การทดสอบ และการวินิจฉัย พอร์ตหลักในโหมด DI ยอมรับอินพุตดิจิตอลและทำงานเมื่อพอร์ตเชื่อมต่อกับเซ็นเซอร์ ซึ่งทำหน้าที่เป็นอุปกรณ์อินพุตในบริบทนี้ ในทางตรงกันข้าม พอร์ตในโหมด DQ จะทำหน้าที่เป็นเอาต์พุตดิจิทัล โดยทั่วไปเมื่อพอร์ตเชื่อมต่อกับแอคทูเอเตอร์ (ในบริบทนี้ อุปกรณ์เอาต์พุตอย่างมีประสิทธิภาพ) หรือเมื่อตั้งค่า PLC ของระบบให้ส่งคำสั่งไปยังอุปกรณ์ IO-Link อื่นโดยตรง

แม้ว่าจะอยู่นอกเหนือขอบเขตของบทความนี้ แต่ก็ควรสังเกตว่าพอร์ตบน IO-Link หลักสามารถสลับระหว่างโหมดต่าง ๆ ได้อย่างง่ายดาย ตัวอย่างเช่น พอร์ตหลักที่เชื่อมต่อกับเซ็นเซอร์สามารถทำงานในโหมด DI จากนั้นสลับเป็นโหมดการสื่อสาร IO-Link เมื่ออุปกรณ์หลักร้องขอการวินิจฉัยและการตรวจสอบข้อมูลจากเซ็นเซอร์

แอปพลิเคชัน IO-Link 1 จาก 3: การสื่อสารสถานะที่สามารถดำเนินการได้

รูปที่ 3: IO-Link อำนวยความสะดวกในการสร้างระบบควบคุมและระบบอัตโนมัติขั้นสูง อุตสาหกรรมเครื่องมือกลใช้เซ็นเซอร์ IO-Link จำนวนมากเพื่อตรวจสอบการจับยึดชิ้นงานและการกัดแรงดันและตำแหน่งของเครื่องมือปลาย (ที่มาของรูปภาพ: Getty Images)

การตรวจสอบเครื่องเป็นไปได้ด้วยอุปกรณ์ IO-Link ที่ตั้งค่าให้รายงานสถานะที่สามารถแจ้งระบบของการปรับและการแก้ไขที่จำเป็น พิจารณาการใช้งานครั้งเดียวในอุตสาหกรรมเครื่องมือกลของเซ็นเซอร์แรงดัน IO-Link ที่ตรวจสอบชิ้นงานจะถูกจับยึดด้วยแรงดันที่เหมาะสมสำหรับการจับยึดที่ปลอดภัยและปราศจากความเสียหายระหว่างการดำเนินการกำจัดวัสดุ ในที่นี้ เซ็นเซอร์ IO-Link จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของเครื่องจักรสำหรับชิ้นงานที่ถูกคัดแยกจำนวนน้อยลง

อุปกรณ์ IO-Link ยังสามารถทำการสื่อสารสถานะที่สามารถดำเนินการได้ เพื่อสนับสนุนขั้นตอนการบำรุงรักษาที่ได้รับการปรับปรุงเพื่อลดเวลาหยุดทำงานให้น้อยที่สุด ตัวอย่างเช่น เซ็นเซอร์ตำแหน่ง IO-Link บนเครื่องประกอบอาจรายงานตำแหน่งของ end effectors อย่างต่อเนื่องเพื่อให้แน่ใจว่าไม่มีสิ่งใดอยู่นอกช่วงหรือการจัดตำแหน่ง

ด้วยการวิเคราะห์ข้อมูลการวินิจฉัยที่ได้รับจากอุปกรณ์ IO-Link ช่างเทคนิคเครื่องจักรของโรงงานสามารถคาดการณ์และแก้ไขข้อผิดพลาดและความล้มเหลวที่อาจเกิดขึ้นก่อนที่จะเกิดขึ้นได้ ช่างเทคนิคยังสามารถระบุจุดอ่อนในเครื่องจักรหรือโรงงาน — เพื่อแจ้งการเปลี่ยนแปลงการดำเนินงานระดับองค์กร การตัดสินใจซื้อ และการออกแบบเครื่องจักรที่ถูกคุมขังในอนาคต

แอปพลิเคชัน IO-Link 2 จาก 3: การควบคุมและระบบอัตโนมัติขั้นสูง

รูปที่ 4: ระบบ IO-Link ที่เกี่ยวข้องกับการควบคุมขั้นสูงประกอบด้วย IO-Link หลัก (ตัวควบคุม) เช่น Omron NX-ILM400 แสดงไว้ที่นี่ และเซ็นเซอร์ต่าง ๆ ที่เปิดใช้งาน IO-Link แหล่งจ่ายไฟ และอุปกรณ์เมคคาทรอนิกส์ที่เชื่อมต่อกับอุปกรณ์หลักนั้น ระบบ IO-Link สำหรับแอปพลิเคชันดังกล่าวโดยทั่วไปจะเชื่อมโยง IO-Link หลักและอุปกรณ์กับ PLC หรือระบบอัตโนมัติอื่น ๆ (ที่มาของภาพ: Omron)

การควบคุมและระบบอัตโนมัติเป็นฟังก์ชันอื่น ๆ ของแอปพลิเคชันที่สนับสนุนโดย IO-Link ในกรณีที่การติดตั้ง IO-Link รองรับฟังก์ชันที่เรียกใช้การแทรกแซงของบุคลากร IO-Link หลักมักจะเชื่อมต่อกับระบบโฮสต์หรือ PLC ระดับสูงที่ประมวลผลข้อมูลที่ได้รับ จากนั้นสั่งแอคทูเอเตอร์โดยตรงหรือโดยอ้อมในการออกแบบเพื่อตอบสนองการประสานงานที่เหมาะสม การควบคุมอัตโนมัติดังกล่าวต้องการให้ระบบ IO-Link เชื่อมต่อกับคอนโทรลเลอร์ระดับที่สูงกว่าผ่านโปรโตคอล fieldbus หรืออีเทอร์เน็ตมาตรฐานและการเดินสาย อันที่จริง ไพรมารี IO-Link ส่วนใหญ่มีพอร์ตฟิลด์บัสหรืออีเทอร์เน็ตสำหรับการเชื่อมต่อดังกล่าว

อุปกรณ์ในแอปพลิเคชันการควบคุมขั้นสูงที่เกี่ยวข้องกับระบบ IO-Link จะรวมเข้ากับหนึ่งในสามวิธี:

• พวกเขาเชื่อมต่อโดยตรงกับโฮสต์คอมพิวเตอร์ หรือ PLC
• พวกเขาเชื่อมต่อกับ IO-Link หลักและสื่อสารผ่านโปรโตคอล IO-Link
• พวกเขาใช้การสื่อสารที่เข้ากันได้กับ IO-Link และเชื่อมต่อกับ IO-Link หลักผ่านฮับ IO-Link

โดยพื้นฐานแล้วทำหน้าที่เป็นตัวกลางในการเชื่อมต่ออุปกรณ์ที่ไม่ใช่ IO-Link เข้ากับอุปกรณ์หลัก

ประโยชน์เพิ่มเติมของระบบ IO-Link ที่มีการเชื่อมต่อ fieldbus และการสื่อสารผ่านอีเทอร์เน็ตคืออนุญาตให้มีการเชื่อมต่อทางไกล ซึ่งช่วยให้ผู้ติดตั้งสามารถระบุตำแหน่งแม่ IO-Link ในตู้ควบคุมหรือที่เครื่องที่อยู่นอกสุดได้หากเหมาะสมที่สุด สำหรับแอปพลิเคชันที่กำหนด

พิจารณาว่า IO-Link พื้นฐานมีประโยชน์ต่อแอปพลิเคชันการประกอบขั้นสูงอย่างไร โดยทำหน้าที่เป็นตัวควบคุมระดับต่ำที่สามารถประมวลผลทั้งสัญญาณดิจิทัลและแอนะล็อก ในที่นี้ พื้นฐานอาจจะ:

• ยอมรับข้อมูลที่สร้างโดยตัวเข้ารหัสเชิงเส้น IO-Link บนแกนของสเตจ XY
• ประมวลผลข้อมูลนั้นเป็นเกตเวย์
• ส่งข้อมูลอุปกรณ์ฟิลด์ IO-Link ที่ประมวลผลไปยัง PLC หรือตัวควบคุมระบบอื่น

แอปพลิเคชัน IO-Link 3 จาก 3: ความฉลาดของอุปกรณ์

รูปที่ 5: อินเทอร์เฟซการเชื่อมต่อ IO-Link มีขนาดเล็กมาก และสามารถใช้ได้กับอุปกรณ์สนามขนาดกะทัดรัดส่วนใหญ่ แสดงที่นี่คือเซ็นเซอร์ความใกล้ชิด Balluff BUS004Z พร้อมการเชื่อมต่อ IO-Link (ที่มาของภาพ: Balluff)

แอปพลิเคชั่นที่สามของ IO-Link คือการช่วยเหลืออุปกรณ์ อัจฉริยะ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการออกแบบเซ็นเซอร์ที่คล้ายกับตัวเลือกเซ็นเซอร์รุ่นเก่าที่ไม่มีการเขียนโปรแกรม (หรือเจียมเนื้อเจียมตัวมากกว่านี้) อุปกรณ์ที่เปิดใช้งาน IO-Link เหล่านี้สามารถรับคำแนะนำ ตรวจสอบ และดำเนินการตามกิจวัตรการทดสอบตัวเองและสร้างข้อมูล เนื่องจาก IO-Link ยังช่วยให้อุปกรณ์สามารถให้ข้อมูลมากกว่าสองค่าพื้นฐาน (ใช่ ไม่ใช่ หรือผ่าน-ล้มเหลว) การรายงานค่าที่แม่นยำจึงเป็นไปได้ด้วย ตัวอย่างเช่น งานในกระบวนการอัตโนมัติได้รับประโยชน์จากเซ็นเซอร์อุณหภูมิ IO-Link ที่นอกเหนือไปจากการรายงานสถานะอุณหภูมิสูงหรือต่ำโดยการรายงานค่าอุณหภูมิที่แน่นอนอย่างต่อเนื่องของโซนหรือปริมาตรที่ตรวจสอบ

ประโยชน์อีกประการของ IO-Link สำหรับอุปกรณ์ฟิลด์อัจฉริยะคือวิธีที่การเชื่อมต่อทางกายภาพมีขนาดกะทัดรัด ตรงกันข้ามกับการเชื่อมต่อทางกายภาพของอินเทอร์เฟซ fieldbus และอีเทอร์เน็ต ซึ่งบางครั้งอาจมีขนาดใหญ่เกินไปที่จะพอดีกับไมโครดีไวซ์ภาคสนาม

ส่วนประกอบอัจฉริยะ IO-Link ยังสามารถควบคุมได้อย่างแม่นยำ ตัวอย่างเช่น แทนที่จะใช้การควบคุมแบบเปิดและปิดแบบพื้นฐาน แอคทูเอเตอร์สามารถสั่งให้ปิดเมื่อสถานการณ์สมมติตรงตามชุดของเงื่อนไข

อุปกรณ์อินพุต เช่น สวิตช์ปุ่มกดจาก RAFI สามารถใช้ฟังก์ชัน IO-Link เพื่อรองรับคุณสมบัติของอุปกรณ์อัจฉริยะ รวมถึงไฟแสดงรหัสสี

มีข้อแม้บางประการสำหรับการใช้ IO-Link สำหรับแอปพลิเคชันอุปกรณ์อัจฉริยะ แม้ว่าจะมีรูปแบบไร้สายของ IO-Link อยู่ระหว่างการพัฒนา แต่ก็ยังเป็นโปรโตคอลการสื่อสารแบบมีสาย ดังนั้นจึงยังคงอยู่ภายใต้ข้อจำกัดทั้งหมดของการเดินสายแบบแข็ง เพื่อรักษาความสมบูรณ์ของข้อมูล การเดินสายเคเบิลหลักกับอุปกรณ์ IO-Link จะต้องไม่เกิน 20 ม. นอกจากนี้ เนื่องจากโปรโตคอล IO-Link สามารถส่งข้อมูลได้สูงสุด 32 ไบต์ต่อรอบ จึงไม่เพียงพอสำหรับใช้กับอุปกรณ์ภาคสนาม เช่น กล้อง ซึ่งสามารถสร้างข้อมูลได้หลาย MB ต่อนาที

บทสรุป

ใช้สำหรับระบบ IO-Link มากมายเพื่อเสริมโปรโตคอลที่มีอยู่ซึ่งสนับสนุนการควบคุมและระบบการรวบรวมข้อมูลที่ไร้ขีดจำกัด การนำ IO-Link มาใช้อย่างไม่หยุดยั้งนั้นเป็นความเรียบง่ายของระบบ IO-Link ซึ่งประกอบด้วยเฉพาะ IO-Link หลักและอุปกรณ์ต่าง ๆ และสายเคเบิลสามหรือห้าสายที่เชื่อมต่อ การติดตั้งแบบพลักแอนด์เพลย์และความคุ้มค่าเป็นข้อดีอื่น ๆ ของ IO-Link

ความพยายามของกลุ่ม IO-Link ของบริษัทสมาชิกทำให้มั่นใจได้ว่าคอนโทรลเลอร์ อุปกรณ์ และแอคทูเอเตอร์จากผู้ผลิตต่าง ๆ เข้ากันได้อย่างกว้างขวาง ซึ่งทำให้วิศวกรออกแบบมีตัวเลือกอุปกรณ์ที่หลากหลายที่สุดสำหรับกรณีการใช้งานเฉพาะของพวกเขา